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Neue Technologie: Nanopartikel, das unerforschte Risiko

Nanosilber schützt vor krank machenden Bakterien und Pilzen.

Nanosilber schützt vor krank machenden Bakterien und Pilzen.

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basf

Was haben kratzfeste Lacke, antibakteriell wirkende Textilien, transparente Sonnencremes oder schnell aushärtender Beton gemeinsam? Sie verdanken ihre Zusatzeigenschaften Nanopartikeln, also Teilchen, die weniger als 100 Nanometer messen und damit so winzig sind wie ein Virus. Nanopartikel und andere Werkstoffe, die zwar keine Partikelform, aber ebenfalls Dimensionen unter der 100-Nanometer-Grenze haben, wie etwa Nanometer-dünne Röhrchen oder Fasern, sind in der Industrie gefragt: Diese sogenannten Nanomaterialien bildeten 2010 einen Markt von 9 Milliarden Euro, bis 2015 sollen es 20 Milliarden Euro werden. Immer mehr Nano-Produkte bevölkern die Warenregale: mehr als 1 300 gab es im Jahr 2010, zwei Jahre zuvor waren es noch 800.

Der Nano-Boom veranlasst Forscher sowie Umwelt- und Verbraucherschützer zu der Klage, die Risikoforschung hinke der Entwicklung neuer nanotechnologischer Anwendungen hinterher und brauche daher mehr Geld. In der Tat forschen Nano-Toxikologen, die die Auswirkungen von Nanomaterialien auf Gesundheit und Umwelt untersuchen, vergleichsweise auf Sparflamme: In Deutschland fließen etwa fünf Prozent des der Nanotechnologie gewidmeten Forschungsbudgets in die Risikoforschung, das Milliarden Dollar schwere US-Nanotechnologieprogramm widmet auch ungefähr diesen Prozentsatz der Nano-Risikoforschung.

Geld in falschen Händen

Zum Klagelied der Unterfinanzierung passt auf den ersten Blick das Ergebnis einer Untersuchung der beiden belgischen Forscher Françoise Schrurs and Dominique Lison von der Université catholique de Louvain, die sie unlängst im Fachmagazin Nature nanotechnology präsentierten: Die Nano-Risikoforschung habe in den letzten zehn Jahren die wichtigsten Fragen, etwa ob und wie die Giftigkeit von der Partikelgröße abhängt, nicht klären können.

Ein schwerwiegender Kritikpunkt: Forschungsgelder flössen oft an Forschergruppen, die wenig Ahnung von Toxikologie hätten. „Nano ist modern“, sagt etwa Mirtyll Simkó vom Wiener Institut für Technikfolgenabschätzung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. „Für die Nanotoxikologie gibt es relativ viel Geld und viele Forscher, die keine Toxikologen sind, interessieren sich dann dafür.“ Auch Harald Krug, Toxikologe an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in St. Gallen moniert: „Wenn es Geld gibt für mehr Projekte als Fachexperten in der Toxikologie zum Abarbeiten dieser Projekte, dann erhalten eben auch viele Forscher aus anderen Fachbereichen wie Biologie und Biochemie den Zuschlag.“

Die Folge sind handwerkliche Mängel. „Es werden oft keine Positiv-Kontrollen durchgeführt“, sagt Simkó. Die Biologin meint damit, dass die Experimente selten mit einer Substanz bekannter Toxizität wiederholt werden.

Schrurs und Lison schreiben, von den 38 Publikationen über Siliziumdioxid-Nanopartikel, die sie untersucht haben, hätten nur sieben von einer solchen Positiv-Kontrolle berichtet. Oft können die Forscher also gar nicht sicher sagen, ob ihr Experiment die Toxizität überhaupt korrekt anzeigt. Es ähnelt einer Alarmanlage mit vielleicht kaputtem oder womöglich ohne Anlass losheulendem Lautsprecher.

Oft verwenden die Forscher zudem übermäßig hohe Dosen, um einen toxischen Effekt zu erzielen. Zwar verabreichen auch erfahrene Toxikologen einer Zellkultur oder einem Versuchstier Dosen eines Stoffes, die 10 oder 100-fach höher sind als die Dosis, der ein Konsument ausgesetzt ist. „Doch das ist nur gerechtfertigt, wenn man den biochemischen Mechanismus einer toxischen Wirkung erforschen will“, erklärt Peter Wick von der Empa in St. Gallen.

Die Zellen in der Zellkultur oder die Versuchstiere gingen oft an der schieren Menge der Testsubstanz zugrunde, klagt Wick. Bei Zellversuchen mit überhöhter Dosis bilde sich eine Schicht auf den Zellen, die die Nahrungszufuhr abschneide, ergänzt Krug. „Nach wenigen Tagen stirbt die Zelle“, sagt der Toxikologe. „Die gleiche Wirkung würde sich mit jedem anderen Material ergeben, das in dieser unrealistisch hohen Dosis zugegeben würde“, so Krug.

Mehrere Experten begründen die Neigung von Forschern zu unrealistisch hohen Dosen mit dem in der Wissenschaft üblichen Druck, möglichst viele Fachartikel zu publizieren. Je beeindruckender seine Liste von Publikationen, desto leichter kommt ein Wissenschaftler an Forschungsgelder. Es sei „furchtbar leicht“, in der Nanotoxikologie zu publizieren, sagt Günter Oberdörster von der University of Rochester. Es genüge, auf eine Zellkultur solange Nanopartikel zu streuen, bis sich ein Effekt zeigt. Die verwendete Dosis müsse niemand rechtfertigen.

Das Fatale: Offenbar gilt in der Nanotoxikologie eine Studie nur dann als publizierbar, wenn sie einen giftigen Effekt gefunden hat. Studien ohne toxischen Effekt blieben oft in den Schubladen liegen, meinen Experten. „Viele Forscher glauben, kein Ergebnis sei kein Wissenszuwachs“, erklärt Simkó. Das sei aber ein Irrtum.

Ungenaue Angaben

Doppelforschung würde vermieden, wenn andere Forscher wüssten, dass ein bestimmtes Nanomaterial schon negativ getestet worden ist, meint Simkó. Mehr Koordination in der Nano-Risikoforschung fordern auch Schrurs und Lison. Die Experimente ließen sich oft nicht vergleichen, weil die Forscher die verwendeten Nanomaterialien nicht ausreichend beschreiben, monieren sie.

Eine exakte Charakterisierung der Nanomaterialien ist aber notwendig, da ihre toxische Wirkung von vielen Faktoren abhängen kann wie etwa ihrer Form oder welche Oberflächenbeschichtung sie tragen. Wenn zwei Experimente zwar Nanopartikel der gleichen Substanz verwenden, das eine aber längliche und das andere runde Partikel, können sich die Ergebnisse durchaus unterscheiden.

Neben aller Kritik gibt es aber auch Erfolge.„Wir kennen inzwischen bestimmte Eigenschaften von Nanomaterialien, aus denen man deren Toxizität vorhersagen kann“, sagt Wolfgang Parak von der Universität Marburg. So lässt sich beispielsweise die Toxizität von Metalloxid-Nanopartikeln aus der Bandlücke – eine für das Material charakteristische Größe, die seine elektronischen Eigenschaften beschreibt – vorhersagen. Wissen dieser Art ist es, das die Nanotoxikologie effizienter machen kann. Denn damit wissen Toxikologen, bei welcher Art von Nanomaterial sie welche Eigenschaften prüfen müssen.